(57)【要約】【課題】  暗電流に対する光電流比率を高める。【解決手段】  障壁層であるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎと量子井戸層であるＧａＡｓ層１０３ｂ−１〜１０３ｂ−（ｎ−１）からなる多重量子井戸１０３を有した光検知装置１００において、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎに光電流及び暗電流のもとになるキャリアの移動度に制限を加えるための不純物（Ｓｉ）をドーピングしたことで、光入射時にキャリア濃度が増加すると、スクリーニング効果により実効的な不純物濃度が低くなり、キャリアの移動度が光非入射時よりも上がるため、暗電流に対する光電流比率が高まる。【選択図】  図１
2006012974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体量子井戸構造を利用した光検知装置において、
光電流及び暗電流のもとになるキャリアの移動度に制限を加えるための不純物を一様にドーピングした障壁層と、量子井戸層とを交互に複数層成長させた多重量子井戸を有することを特徴とする光検知装置。
【請求項２】
前記障壁層内において、電圧印加時に低電位側となる前記量子井戸層との界面に、前記不純物のドーピングを抑止した領域を設けたことを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
【請求項３】
前記障壁層にＡｌＧａＡｓ、前記量子井戸層にＧａＡｓ、前記不純物にＳｉを用いた際、前記不純物の濃度を１×１０16／ｃｍ3以上、１×１０18／ｃｍ3以下としたことを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
【請求項４】
前記量子井戸層は、量子細線または量子ドットであることを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
【請求項５】
半導体量子井戸構造を利用した光検知装置において、
光電流及び暗電流のもとになるキャリアが流れる経路上に、キャリアの移動度に制限を加えるための不純物を一様にドーピングした領域を有することを特徴とする光検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光検知装置に関し、特に半導体量子井戸構造を利用した光検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体量子井戸構造を利用した光検知装置（例えば、赤外線を検出する量子井戸型赤外線検知器（Quantum Well Infrared Photodetector；ＱＷＩＰ））は、応答が速く高感度であることから、赤外線カメラなどのセンサなどに使用可能であり、注目されている。
【０００３】
量子井戸型の光検知装置は、通常、入射した光を電流に変える光電変換部と、その電流を外部出力する読み出し回路から構成される。光電変換部は、例えば、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）／ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）超格子を有し、その伝導帯において多重量子井戸を形成している。
【０００４】
従来の光検知装置に用いる光電変換部の多重量子井戸は、以下の２つのようなものがあった。
図１１は、従来の光検知装置の要部断面構成図である（従来例１）。
【０００５】
従来の光検知装置８００は、ＧａＡｓ基板８０１上に、順に、ＧａＡｓ下部層８０２、多重量子井戸８０３、ＧａＡｓ上部層８０４を成長させた構成となっている。これらは分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy; ＭＢＥ）法などを用いて形成される。下部電極層、上部電極層として機能するＧａＡｓ下部層８０２及び上部層８０４には、Ｓｉ（シリコン）によるドーピングが施される。その濃度は、例えば、１×１０18／ｃｍ3である。また、それらの厚さは、例えば、それぞれ１，０００ｎｍに形成される。多重量子井戸８０３は、例えば２６層の、障壁層となるＡｌＧａＡｓ層８０３ａ−１〜８０３ａ−２６の間に、量子井戸層となるＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５が１層ずつ挟み込まれた構成となっている。障壁層となるＡｌＧａＡｓ層８０３ａ−１〜８０３ａ−２６は、Ａｌ組成比を０．２５とする。また、量子井戸層となるＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５には、入射光により励起されうるキャリアが供給されている必要があるため、それぞれのＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５は、ｎ型不純物となるＳｉによるドーピングが施され、その濃度は例えば、１×１０18／ｃｍ3である。また、ＡｌＧａＡｓ層８０３ａ−１〜８０３ａ−２６及びＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５の厚さはそれぞれ、例えば、５０ｎｍ、５ｎｍとなるように形成される。上記のような構成は例えば、非特許文献１に開示されているものである。
【０００６】
図１２は、従来の光検知装置の要部断面構成図である（従来例２）。
ここでは、従来例の２番目の光検知装置８１０について、多重量子井戸８１１の部分のみを示している。他の構成については、従来例１と同様であるので省略してある。ここでは、図１１の光検知装置８００において量子井戸層であるＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５に施されたドーピングの代わりに、ＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−１〜８１１ａ−２６内のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面近傍の一部分に、Ｓｉによるドーピングが施されていることを特徴としている。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面とは、ＧａＡｓ層８１１ｂ−１〜８１１ｂ−２５からみて基板側の界面のみである（そのため、最上層のＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−２６はドーピングされない）。このときＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−１〜８１１ａ−２５の一部分に施される２次元ドーピング濃度を、従来例１のＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５に施される量と同じ量にする。例えば、ドーピングを施す領域の幅を５ｎｍ幅とした場合、その領域の３次元ドーピング濃度は１×１０18／ｃｍ3である。
【０００７】
従来例１では、ＧａＡｓ層８０３ｂ−１〜８０３ｂ−２５に設計上施されるＳｉが、成長方向へ偏析することにより暗電流が増加する。一方、第２の例によりＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−１〜８１１ａ−２５内のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面近傍の一部分に施したＳｉは、成長方向へ偏析するが、それはＧａＡｓ層８１１ｂ−１〜８１１ｂ−２５内で十分留まるものであり、ＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−２〜８１１ａ−２６までは偏析しない。従って従来例１のような暗電流の増加は起こらない。また、ＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−１〜８１１ａ−２５内のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面近傍の一部分に施された不純物（Ｓｉ）のほとんどは、このデバイスの動作温度（約７０Ｋ）において熱的に活性化されている。これにより生ずるキャリアは量子井戸層に移動し、光励起されうるのに必要な量子井戸層内のキャリアは第１の例とほぼ同じ量に量子井戸層内に供給されることとなる。よって、ＡｌＧａＡｓ層８１１ａ−１〜８１１ａ−２５内の、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面近傍の一部分のみにドーピングしたことによる光励起機構への影響はほとんどない（特許文献１参照）。
【０００８】
ここで、従来の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造について説明する。
図１３は、従来の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造図である。
量子井戸層（ＧａＡｓ層）には、前述の従来例１で述べたようにｎ型のドーパント（不純物）９０１によるドーピングが施され、これにより量子井戸層に形成されるサブバンド９０２にキャリア（電子）９０３が供給される。あるいは、前述の従来例２のように量子井戸層へのドーピングの代わりに、障壁層（ＡｌＧａＡｓ層）内のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面近傍の一部分へドーピングを施すことで、それにより生ずるキャリアが量子井戸層へ供給される場合もある。
【０００９】
このような伝導帯構造の光検知装置に入射した光（例えば赤外線）は、サブバンド９０２に位置したキャリア９０３と相互作用を起こし、結果としてキャリア９０３が障壁層伝導帯下端より上に位置するエネルギーレベルへ励起される。多重量子井戸の積層方向へ一定の電界を加えておくと、励起されたキャリア９０３がその電界により力を受け電流となる。これが光電流である。一方、光が入射していない状態において、フェルミ分布に従って熱励起によりいくつかのキャリア９０３は励起されているため、電圧印加のもとで電流が流れる。これが暗電流である。従って光が入射されている状態では、暗電流量に光電流量を足し合わせた量の電流が流れる。
【非特許文献１】Ｂ．Ｆ．Ｌｅｖｉｎｅ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７４（８），Ｒ１（１９９３）
【特許文献１】特開２００２−２４６６３５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の光検知装置では、光が入射することにより生ずる光電流が暗電流に比べて小さいため、光検知装置の性能指標となる暗電流に対する光電流比率が小さくなるという問題があった。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、暗電流に対する光電流比率を高めることが可能な光検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では上記問題を解決するために、半導体量子井戸構造を利用した光検知装置において、図１のように、光電流及び暗電流のもとになるキャリアの移動度に制限を加えるための不純物（図ではｎ型不純物としてＳｉ）を一様にドーピングした障壁層（図ではＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎ）と、量子井戸層（図ではＧａＡｓ層１０３ｂ−１〜１０３ｂ−（ｎ−１））とを交互に複数層成長させた多重量子井戸１０３を有することを特徴とする光検知装置が提供される。
【００１３】
上記の構成によれば、障壁層に光電流及び暗電流のもとになるキャリアの移動度に制限を加えるための不純物をドーピングしたことで、光入射時にキャリア濃度が増加すると、スクリーニング効果により実効的な不純物濃度が低くなり、キャリアの移動度が光非入射時よりも上がるため、暗電流に対する光電流比率が大きくなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、多重量子井戸を構成する障壁層に光電流及び暗電流のもとになるキャリアの移動度に制限を加えるための不純物をドーピングしたことで、光入射時にキャリア濃度が増加すると、スクリーニング効果により実効的な不純物濃度が低くなり、キャリアの移動度が光非入射時よりも上がるため、光検知装置の性能指標である、暗電流に対する光電流比率を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の光検知装置の要部断面構成図である。
本発明の第１の実施の形態の光検知装置１００は、分子線エピタキシー法などを用いて、ＧａＡｓ基板１０１上に、順番に下部電極としてＧａＡｓ下部層１０２、多重量子井戸１０３、上部電極としてＧａＡｓ上部層１０４が形成された構成である。また、多重量子井戸１０３は、ｎ型不純物であるＳｉを一様にドーピングした障壁層であるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎと、量子井戸層であるＧａＡｓ層１０３ｂ−１〜１０３ｂ−（ｎ−１）を交互に複数層成長させた構成である。
【００１６】
ＧａＡｓ下部層１０２及びＧａＡｓ上部層１０４の膜厚は、例えば、１，０００ｎｍである。また、ＧａＡｓ下部層１０２及びＧａＡｓ上部層１０４にもＳｉによるドーピングが施される。その濃度は、例えば、１×１０18／ｃｍ3である。
【００１７】
多重量子井戸１０３は、障壁層となるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎにより、量子井戸層となるＧａＡｓ層１０３ｂ−１〜１０３ｂ−（ｎ−１）が挟み込まれた構成となっている。例えば、ｎ＝２６層である。ＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎは、Ａｌ組成比を０．２５とする。また、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎの膜厚は、例えば、５０ｎｍ、量子井戸層であるＧａＡｓ層１０３ｂ−１〜１０３ｂ−（ｎ−１）の膜厚は、例えば、５ｎｍである。本発明の第１の実施の形態では、従来の光検知装置とは異なり、障壁層となるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎに、ｎ型不純物となるＳｉによるドーピングを施してある。このときドーピングは、ＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎ全体に一様に行われる。ドーピング濃度としては、不純物散乱に起因する移動度に制限を与える濃度以上であり、且つ、暗電流を極端に増加させない濃度以下であることが望ましい。多重量子井戸を上記の材料で形成した場合には、その範囲は、１×１０16〜１×１０18／ｃｍ3であることが望ましい。
【００１８】
以下、障壁層に一様に不純物をドーピングすることで、暗電流に対する光電流比率を高めるメカニズムについて、障壁層に不純物をドープしない場合との比較に基づいて説明する。
【００１９】
図２は、一般的な光検知装置の構成を示す断面図である。
光検知装置２００は、光電変換部２１０と読み出し回路部２２０からなる。光電変換部２１０は、ＧａＡｓ基板２１１上に下部電極層２１２、多重量子井戸２１３、上部電極層２１４が形成された構成であり、読み出し回路部２２０は、Ｓｉ基板２２１上に電気回路２２２を形成した構成となっている。これらをＩｎ（インジウム）バンプ２３０により貼り合わせて光検知装置２００を構成している。図２のように、下部電極層２１２と電気的に接続されているＩｎバンプ２３０の電圧を０Ｖとして、上部電極層２１４に例えば、５Ｖの電圧を印加している。
【００２０】
光検知装置２００の光電変換部２１０で発生した電流は、読み出し回路部２２０内で電流電圧変換され外部出力される。この仕組みは、読み出し回路部２２０内の蓄積容量Ｃ0に、電流Ｉをある時間ｔ流し、その時に蓄積容量の両端に加わる電圧値
Ｖ＝Ｉ×ｔ／Ｃ0………（１）
を外部出力するという描像で表される。一般的に電圧値が高いほどその測定精度は高くなり、結果として雑音が小さくなる。従って出力される電圧値は読み出し回路部２２０内で取り扱うことのできる電圧のうち最大の電圧値Ｖ0に設定されることが望ましい。また、扱いうる最大の電流値Ｉ0を式（１）に従い変換した電圧値が、その電圧上限値を超えないことが当然要求される。これらを満たすように時間ｔが適当な時間ｔ0に調整された上で、光検知装置２００が駆動される。ここで、電流値が最大であるという状態は光が入射した状態に相当し、その電流値は光電流をＩp、暗電流をＩdとして
Ｉ0＝Ｉp＋Ｉd………（２）
で表される。
【００２１】
以上の設定により雑音が小さく保たれることとなる。信号は光電流に比例するため、光検知装置の性能を表す信号雑音比は光電流に比例することになる。時間ｔ0の調整により、光電流と暗電流の和Ｉ0は最大（つまり一定）になるように定められるため、式（２）により光電流を高めるには暗電流を小さくする必要がある。従って、光検知装置の性能を高めるためには、暗電流に対する光電流比率Ｉp／Ｉdを高めることが要求される。
【００２２】
ところで、均一な半導体を流れる電流は、その移動度μとキャリア濃度ｎから一般的に
Ｉ＝Ａμｎ………（３）
と表される。ここでＡは定数とする。量子井戸型の光検知装置の場合、量子井戸層の厚さは障壁層のそれに比べて十分薄い（例えば、前述のように障壁層５０ｎｍに対して、量子井戸層が５ｎｍ）。従って、光検知装置を障壁層のみの均一な半導体と近似することが可能であり、その電流に関して式（３）を用いることができる。このとき移動度μは障壁層（例えば、ＡｌＧａＡｓ層）の移動度とする。また、キャリア濃度ｎは電流の起因となりうるものであるから、量子井戸層内のサブバンドに束縛されている状態のキャリアはこれに含まれない。従って、キャリア濃度は障壁層伝導帯内に位置するキャリアの濃度とする。
【００２３】
一般的に移動度μは、キャリアが受ける各種の散乱ｊに起因する移動度をμjとした場合に
１／μ＝Σj（１／μj）………（４）
と記述される。ここでは、各種散乱としてドーピングが関与する不純物散乱とその他の散乱の２つを想定する。そこで、不純物散乱に起因した移動度μIIとその他の散乱に起
因した移動度μotherを用いて、全体としての移動度μを
１／μ＝（１／μII）＋（１／μother）………（５）
と記述しておく。さらに、キャリアの濃度について次のように定めておく。光入射がない状態では熱励起に起因するキャリアが障壁層伝導帯内に励起されている。そこで、この濃度をｎdとする。また、光が入射した状態では光励起によって障壁層伝導帯内に励起されたキャリアが存在するため、その濃度をｎpとする。従って光が入射している状態では、キャリア濃度の総数は
ｎp＋ｎd………（６）
と表される。
【００２４】
標準的な量子井戸型の光検知装置において、その動作温度は７０Ｋ近傍の温度領域にある。また、図１１、図１２で示したような、従来の光検知装置では、障壁層を構成するＡｌＧａＡｓ層にはドーピングを施さないため（従来例２ではＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面のみ）、障壁層を移動するキャリアにとって不純物による散乱は稀である。結果として、この条件においてキャリアの不純物散乱に起因する移動度はその他の散乱に起因した移動度に比べ遥かに大きくなる。式（５）より、全体としての移動度は後者の移動度に支配される。また、その移動度はキャリア濃度に対する依存性が弱いため、光を入射したときのキャリア濃度ｎp＋ｎdと、光を入射しないときのキャリア濃度ｎdによらずほぼ一定の値となる。従って、光を入射したときの移動度をμop、しないときのそれをμblと表すと
μop≒μbl………（７）
の関係が得られる。また式（３）より光を入射したときの電流Ｉp＋Ｉd及びしない時の電流Ｉdはそれぞれ
Ｉp＋Ｉd＝μop（ｎp＋ｎd）
Ｉd＝μblｎd                ………（８）
と表される。式（７）を用いると、暗電流に対する電流比率は
Ｉp／Ｉd＝μopｎp／μblｎd≒ｎp／ｎd………（９）
と表される。
【００２５】
図３は、本発明の第１の実施の形態の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造図である。
本発明においては、障壁層を構成するＡｌＧａＡｓ層全面に一様にｎ型ドーピングを施す。動作温度近傍の温度では、おおむね全てのドーパント３０１が活性化されている。伝導帯内へ放出されたキャリア３０２は拡散により量子井戸層であるＧａＡｓ層近傍へ移動することが可能となるため、そこでエネルギー状態の低い量子井戸層のサブバンド３０３へ束縛されうる。なお、以下では、デバイス全体としての総ドーピング量を、従来の光検知装置のそれと同じ量であるとし、量子井戸に供給されるキャリア３０２は、従来の光検知装置と同量であるとする。従って、この条件のもとで熱平衡状態に達すると、従来の光検知装置と同様にｎdの濃度をもつキャリア３０２ａ（暗電流となる）が障壁層伝導帯内へ熱励起されていることとなる。また、光（例えば、赤外線）が入射した状態では、ｎpの濃度をもつキャリア３０２ｂ（光電流となる）が障壁層伝導帯内へ光励起されることとなる。
【００２６】
障壁層の不純物散乱に起因する移動度は、従来の光検知装置のそれに比べて小さくなる。これは、不純物濃度が大きくなったことにより障壁層内を移動するキャリア３０２が不純物拡散される確率が高くなった結果である。よって、式（５）より全体としての移動度は、この不純物散乱に起因する移動度に支配されるようになる。さらに、この移動度はキャリア濃度による依存性を持つ。これは、スクリーニング効果と呼ばれる効果によって生ずるものである。
【００２７】
図４は、スクリーニング効果を示す図であり、（Ａ）はキャリア濃度が低いとき、（Ｂ）はキャリア濃度が高いときを示している。
スクリーニング効果は、電気的に負であるキャリア（電子）３０２により、正のイオンとなるｎ型不純物であるドーパント３０１を電気的に遮蔽する効果である。図４（Ａ）のように、キャリア濃度が低い場合（すなわち光が入射されていない場合）、電気的に遮蔽されるドーパント３０１ａは少ない。このときキャリア３０２の通り道の近傍にあるドーパント３０１によってそのキャリア３０２はある確率で散乱される。一方、図４（Ｂ）のように、キャリア濃度が高い場合（すなわち光が入射した場合）、電気的に遮蔽されるドーパント３０１ａが増える。このとき、キャリア３０２の通り道の近傍にあるドーパント３０１のいくつかが、残りのキャリア３０２により電気的に遮蔽されるため、キャリア３０２の散乱される確率が下がる。結果として、キャリア濃度が高い場合には移動度が大きくなるという効果が得られる。
【００２８】
このようなスクリーニング効果の影響で、光を入射したときのキャリア濃度ｎp＋ｎdは光を入射しないときのキャリア濃度ｎdに比べて高いため、光を入射したときの移動度μopxは光を入射しないときの移動度μblxに比べて大きくなり、
μopx＞μblx………（１０）
の関係が得られる。
【００２９】
図５は、障壁層における移動度を、障壁層にドーピングを施さなかった場合と比較したグラフである。縦軸は移動度（対数表記）で、横軸は温度（対数表記）である。
このグラフのように、障壁層にドーピングを施さない場合、動作温度に係わらず光を入射したときの移動度μopは、入射しないときの移動度μblとほぼ等しくなる。一方、障壁層に一様にドーピングを施した場合には、ドーピング無しの場合と比べ移動度μは下がるが、式（１０）のように光を入射したときの移動度μopxは入射しないときの移動度μblxに比べて大きくなる。
【００３０】
また、式（２）より、障壁層に一様にドーピングを施した場合において、光を入射したときの電流Ｉpx＋Ｉdx及び入射しないときの電流Ｉdxはそれぞれ
Ｉpx＋Ｉdx＝μopx（ｎp＋ｎd）
Ｉdx＝μblxｎd                …………（１１）
と表される。式（１０）を用いると、暗電流に対する光電流比率は、
Ｉpx／Ｉdx＝（（Ｉpx＋Ｉdx）−Ｉdx）／Ｉdx
＝｛（μopx（ｎp＋ｎd））−μblxｎd｝／μblxｎd
＝｛μopxｎp＋（μopx−μblx）ｎd｝／μblxｎd…………（１２）
＞μopxｎp／μblxｎd
＞ｎp／ｎd
と表される。さらに、式（９）を用いると、
Ｉpx／Ｉdx＞ｎp／ｎd≒Ｉp／Ｉd…………（１３）
と変形され、障壁層にドーピングを施さない場合の、暗電流に対する光電流比率より大きくなることがわかる。
【００３１】
具体的に、図１１で示した従来例１の光検知装置８００と、本発明の第１の実施の形態の光検知装置１００についての暗電流に対する光電流比率を、式（１２）を用いて評価すると次のようになる。
【００３２】
なお、従来例１の光検知装置８００に、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層８０３ａ−１〜８０３ａ−ｎには設計上、ドーピングは施されないが、実際にはＭＢＥ成長時にわずかなドーピングが自然と行われる。そのためここでは、障壁層にドーピングを施さない場合の式（９）は用いず、式（１２）を用いる。また、この濃度を１×１０15／ｃｍ3と仮定する。また、光励起されたキャリア濃度ｎpを１×１０8／ｃｍ3、熱励起されたキャリア濃度ｎdを１×１０6／ｃｍ3と仮定する。また、式（５）におけるμotherとして、有極性フォノン散乱に起因する移動度のみを用いる。また、不純物散乱に起因する移動度として、S.Adachi, "GaAs and Related Materials", p547, World Scientific(1994)に記載された式を用いる。以上の値を用いると、動作温度７０Ｋにおいて、第１の実施の形態の光検知装置１００のμopx／μblxは１．２１０、従来例１の光検知装置８００では、１．０９６となる。式（１２）を用いると、第１の実施の形態の光検知装置１００の暗電流に対する光電流比率は、従来例１の光検知装置８００のそれに対して、１０％大きくなる。
【００３３】
このように本発明の第１の実施の形態の光検知装置によれば、図１のように障壁層であるＡｌＧａＡｓ層１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎに、光電流及び暗電流のもとになるキャリアの移動度に制限を加えるためのｎ型不純物によるドーピングを施したので、暗電流に対する光電流比率を大きくすることができる。
【００３４】
次に本発明の第２の実施の形態の光検知装置を説明する。
図６は、電圧印加時の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造図の一部である。
図３では図示を省いたが、本発明の第１の実施の形態の光検知装置１００の場合のように、一様にドーピングを施した場合には、ＡｌＧａＡｓ層内において、ＧａＡｓ層との界面は、図６の点線のように、障壁層伝導帯が曲がっている。電圧印加時には、低電位側となる量子井戸層であるＧａＡｓ層との界面において、エネルギーギャップが低くなるのでキャリア３０２ａが熱励起しやすくなり暗電流が増加してしまう。
【００３５】
本発明の第２の実施の形態の光検知装置は、これを防止するものである。
図７は、本発明の第２の実施の形態の光検知装置の要部断面構成図である。
本発明の第２の実施の形態の光検知装置４００において、図７では多重量子井戸４０１の部分のみを示している。他の構成については、第１の実施の形態の光検知装置１００と同様であるので省略している。光検知装置４００は、障壁層を構成するＡｌＧａＡｓ層４０１ａ−１〜４０１ａ−ｎ内において、電圧印加時に低電位側となる量子井戸層であるＧａＡｓ層４０１ｂ−１〜４０１ｂ−（ｎ−１）との界面に、Ｓｉによるドーピングを抑制した領域（ドーピングしない領域）４０１ｃ−１〜４０１ｃ−（ｎ−１）を設けている。この領域の厚さは、例えば、約５ｎｍとする。
【００３６】
このようにすることで、電圧印加時には、低電位側となる量子井戸層であるＧａＡｓ層４０１ｂ−１〜４０１ｂ−（ｎ−１）との界面において、エネルギーギャップが低くなることを防止し、暗電流の増加を回避することができる。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施の形態の光検知装置を説明する。
図８は、本発明の第３の実施の形態の光検知装置の要部を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線における断面図である。
【００３８】
本発明の第３の実施の形態の光検知装置５００において、図８では多重量子井戸５０１の部分のみを示している。他の構成については、第１の実施の形態の光検知装置１００とほぼ同様であるので図示を省略している。前述した第１の実施の形態の光検知装置１００では、量子井戸層は１次元方向に閉じ込められた量子面であった。しかし、図８に示す第３の実施の形態の光検知装置５００のように、２次元方向に閉じ込めを行った量子細線５０１ｂ−１〜５０１ｂ−（ｎ−１）をＧａＡｓにより形成した場合においても、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層５０１ａ−１〜５０１ａ−ｎに一様にドーピングを施すことで、上記と同様に暗電流に対する光電流比率を大きくでき、性能を高めることができる。
【００３９】
量子細線５０１ｂ−１〜５０１ｂ−（ｎ−１）の形成は、分数層超格子成長法などを用いて行う。なお、ここでは図示を省略しているが、ＧａＡｓ基板としては、表面が階段状になった、いわゆるオフ基板を用い、それより上の層の成長を低速度で行うと表面に準規則的な溝が形成される。障壁層であるＡｌＧａＡｓ層５０１ａ−１〜５０１ａ−ｎの形成においてこの状態を実現したのち、ＧａＡｓを成長すると、その溝にＧａＡｓが選択的に成長していく。ある短時間ＧａＡｓを成長させた後、引き続きＡｌＧａＡｓを成長すると、線状のＧａＡｓがＡｌＧａＡｓ層５０１ａ−１〜５０１ａ−ｎの中に埋め込まれた量子細線５０１ｂ−１〜５０１ｂ−（ｎ−１）が実現される。障壁層であるＡｌＧａＡｓ層５０１ａ−１〜５０１ａ−ｎのドーピング濃度は、例えば、１×１０17ｃｍ3とする。その他については、第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
次に、本発明の第４の実施の形態の光検知装置を説明する。
図９は、本発明の第４の実施の形態の光検知装置の要部を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図である。
【００４１】
本発明の第４の実施の形態の光検知装置６００において、図９では多重量子井戸６０１の部分のみを示している。他の構成については、第１の実施の形態の光検知装置１００とほぼ同様であるので図示を省略している。前述した第１の実施の形態の光検知装置１００では、量子井戸層は１次元方向に閉じ込められた量子面であった。しかし、図９に示す第４の実施の形態の光検知装置６００のように、３次元方向に閉じ込めを行った量子ドット６０１ｂ−１〜６０１ｂ−（ｎ−１）（ただし図９（Ａ）では最上層の量子ドットのみ図示している）をＧａＡｓにより形成した場合においても、障壁層６０１ａ−１〜６０１ａ−ｎに一様にドーピングを施すことで、上記と同様に暗電流に対する光電流比率を大きくし、性能を高めることができる。
【００４２】
量子ドット６０１ｂ−１〜６０１ｂ−（ｎ−１）の形成は、自己形成法を用いて行う。この方法において、ドットの材料は、基板の格子定数に比べてその格子定数が十分異なること、及び基板のバンドギャップに比べてそのバンドギャップが小さいことを満たすことが要求される。結果としてＧａＡｓ基板を用いた場合には、ドット材料として一般的にＩｎＡｓ（インジウム砒素）が用いられる。障壁層６０１ａ−１〜６０１ａ−ｎとしては、ＧａＡｓを用いる。障壁層６０１ａ−１〜６０１ａ−ｎ形成の後、ＩｎＡｓを数モノレイヤー供給すると、ＧａＡｓとＩｎＡｓとの格子不整合により歪が生ずる。この歪によりＩｎＡｓは３次元島状に寄せ集められる。この後にＧａＡｓによる障壁層６０１ａ−１〜６０１ａ−ｎを成長すると、３次元島状のＩｎＡｓが障壁層６０１ａ−１〜６０１ａ−ｎ内に埋め込まれた量子ドット６０１ｂ−１〜６０１ｂ−（ｎ−１）が実現される。ここで、障壁層６０１ａ−１〜６０１ａ−ｎの厚さは、例えば５０ｎｍとし、またそのドーピング濃度は１×１０17／ｃｍ3とする。その他については、第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
以上の第１〜第４の実施の形態では、多重量子井戸を形成する障壁層に対してキャリアの移動度に制限を加えるための不純物を一様にドーピングすることで、暗電流に対する光電流比率を大きくし、光検知装置の性能を高めることができると説明したが、多重量子井戸とは別に、不純物を一様にドーピングした層を、光電流及び暗電流のもとになるキャリアが流れる経路上に挿入するようにしても同様の効果が得られる。それを以下本発明の第５の実施の形態として説明する。
【００４４】
図１０は、本発明の第５の実施の形態の光検知装置の要部断面構成図である。
本発明の第５の実施の形態の光検知装置７００は、図１１で示した従来の光検知装置８００に対して、不純物をドーピングした層を追加した構成となっている。すなわち、ＧａＡｓ基板７０１上に、ＧａＡｓ下部層７０２、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層７０３ａ−１〜７０３ａ−ｎとＳｉがドープされた量子井戸層であるＧａＡｓ層７０３ｂ−１〜７０３ｂ−（ｎ−１）が交互に積層されて多重量子井戸７０３が形成され、さらに、多重量子井戸７０３と、ＧａＡｓ上部層７０４との間に、ＳｉをドーピングしたＡｌＧａＡｓ層７０５を挿入した構成となっている。なお、挿入する位置は、光電流及び暗電流のもとになるキャリアが流れる経路上であれば、上記に限定されない。
【００４５】
挿入したＡｌＧａＡｓ層７０５のＡｌ組成比は例えば、０．２５とし、厚さは、例えば１００ｎｍとする。Ｓｉによるドーピング濃度は、例えば１×１０17／ｃｍ3とする。このように、光電流及び暗電流のもとになるキャリアが流れる経路上に、移動度に制限を加える不純物をドーピングした層を挿入することによって、前述したスクリーニング効果により暗電流に対する光電流比の向上が図られる。ただし、施したＳｉにより生ずるキャリアにより暗電流が増加するため、このドーピング濃度は十分低く抑えるか、あるいはこの代わりに量子井戸層内のＳｉによるドーピング濃度を下げる必要がある。また、第５の実施の形態で用いたような不純物をドーピングした層を、第１または第２の実施の形態の光検知装置１００、４００に対して、挿入するようにしてもよい。
【００４６】
以上の説明では、量子井戸層／障壁層の材料として主にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを用いた場合について説明したが、これに限定されることは無く、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）／ＧａＡｓ、ＩｎＰ（インジウム燐）／ＧａＡｓ、ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）／ＧａＮや、ＣｄＳｅ（セレン化カドミニウム）／ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、Ｓｉ／ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、など、その他様々な組み合わせが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、例えば、赤外線カメラの赤外線センサなどに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光検知装置の要部断面構成図である。
【図２】一般的な光検知装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造図である。
【図４】スクリーニング効果を示す図であり、（Ａ）はキャリア濃度が低いとき、（Ｂ）はキャリア濃度が高いときを示している。
【図５】障壁層における移動度を、障壁層にドーピングを施さなかった場合と比較したグラフである。
【図６】電圧印加時の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造図の一部である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の光検知装置の要部断面構成図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の光検知装置の要部を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線における断面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態の光検知装置の要部を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の光検知装置の要部断面構成図である。
【図１１】従来の光検知装置の要部断面構成図である（従来例１）。
【図１２】従来の光検知装置の要部断面構成図である（従来例２）。
【図１３】従来の光検知装置における多重量子井戸の伝導帯構造図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００  光検知装置
１０１  ＧａＡｓ基板
１０２  ＧａＡｓ下部層
１０３  多重量子井戸
１０３ａ−１〜１０３ａ−ｎ  ＡｌＧａＡｓ層
１０３ｂ−１〜１０３ｂ−（ｎ−１）  ＧａＡｓ層
１０４  ＧａＡｓ上部層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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